UNIXI/O编程：从基础到深入

### UNIX I/O 编程：从基础到深入 #### 1. 信号与超时机制 在程序运行过程中，如果程序会定期接收信号，并且信号之间的时间间隔小于超时时间间隔，那么 `waitfdtimed` 函数将永远不会超时。2000 年版的 POSIX 引入了 `pselect` 函数，它与 `select` 函数类似，但使用了更精确的超时结构 `struct timespec`，并且在等待 I/O 可用时允许阻塞或解除阻塞信号。不过，在 2003 年 3 月编写本文时，测试的操作系统都不支持 `pselect` 函数。 #### 2. `poll` 函数详解 `poll` 函数与 `select` 函数类似，但它按文件描述符组织信息，而不是按条件类型组织。`poll` 函数的参数包括 `fds`（`struct pollfd` 数组，代表文件描述符的监控信息）、`nfds`（要监控的描述符数量）和 `timeout`（等待事件的超时时间，以毫秒为单位，-1 表示永不超时）。 ```c #include <poll.h> int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout); ``` `poll` 函数的返回值： - 超时返回 0。 - 成功返回有事件发生的描述符数量。 - 失败返回 -1 并设置 `errno`。 `poll` 函数的常见错误及原因如下表所示： | `errno` | 原因 | | ---- | ---- | | `EAGAIN` | 内部数据结构分配失败，但后续请求可能成功 | | `EINTR` | 在 `poll` 期间捕获到信号 | | `EINVAL` | `nfds` 大于 `OPEN_MAX` | `struct pollfd` 结构体包含以下成员： ```c int fd; /* 文件描述符 */ short events; /* 请求的事件 */ short revents; /* 返回的事件 */ ``` 事件标志及其含义如下表所示： | 事件标志 | 含义 | | ---- | ---- | | `POLLIN` | 非高优先级数据无阻塞读取 | | `POLLRDNORM` | 正常数据无阻塞读取 | | `POLLRDBAND` | 优先级数据无阻塞读取 | | `POLLPRI` | 高优先级数据无阻塞读取 | | `POLLOUT` | 正常数据无阻塞写入 | | `POLLWRNORM` | 同 `POLLOUT` | | `POLLERR` | 描述符发生错误 | | `POLLHUP` | 设备已断开连接 | | `POLLNVAL` | 文件描述符无效 | 以下是使用 `poll` 函数监控多个文件描述符的示例代码： ```c #include <errno.h> #include <poll.h> #include <stdlib.h> #include <stropts.h> #include <unistd.h> #include "restart.h" #define BUFSIZE 1024 void docommand(char *, int); void monitorpoll(int fd[], int numfds) { char buf[BUFSIZE]; int bytesread; int i; int numnow = 0; int numready; struct pollfd *pollfd; for (i = 0; i < numfds; i++) /* 初始化轮询结构 */ if (fd[i] >= 0) numnow++; if ((pollfd = (void *)calloc(numfds, sizeof(struct pollfd))) == NULL) return; for (i = 0; i < numfds; i++) { (pollfd + i)->fd = *(fd + i); (pollfd + i)->events = POLLRDNORM; } while (numnow > 0) { /* 继续监控直到描述符处理完毕 */ numready = poll(pollfd, numfds, -1); if ((numready == -1) && (errno == EINTR)) continue; /* poll 被信号中断，重试 */ else if (numready == -1) /* 真正的 poll 错误，无法继续 */ break; for (i = 0; i < numfds && numready > 0; i++) { if ((pollfd + i)->revents) { if ((pollfd + i)->revents & (POLLRDNORM | POLLIN) ) { bytesread = r_read(fd[i], buf, BUFSIZE); numready--; if (bytesread > 0) docommand(buf, bytesread); else bytesread = -1; /* 文件结束 */ } else if ((pollfd + i)->revents & (POLLERR | POLLHUP)) bytesread = -1; else /* 描述符未参与本轮 */ bytesread = 0; if (bytesread == -1) { /* 发生错误，移除描述符 */ r_close(fd[i]); (pollfd + i)->fd = -1; numnow--; } } } } for (i = 0; i < numfds; i++) r_close(fd[i]); free(pollfd); } ``` #### 3. 文件表示 在 C 程序中，文件可以通过文件指针或文件描述符来指定。ISO C 标准 I/O 库函数（如 `fopen`、`fscanf` 等）使用文件指针，而 UNIX I/O 函数（如 `open`、`read` 等）使用文件描述符。 标准输入、标准输出和标准错误对应的文件指针符号名分别为 `stdin`、`stdout` 和 `stderr`，定义在 `stdio.h` 中；对应的文件描述符符号名分别为 `STDIN_FILENO`、`STDOUT_FILENO` 和 `STDERR_FILENO`，定义在 `unistd.h` 中。 #### 4. 库函数与系统调用的区别 POSIX 标准没有区分库函数和系统调用。传统上，库函数是普通函数，通常因为有用、广泛使用或属于规范（如 C 语言规范）而被放在库中；系统调用是向操作系统请求服务，涉及陷入操作系统和上下文切换，与特定操作系统相关。许多库函数（如 `read` 和 `write`）实际上是系统调用的封装，它们将参数重新格式化为系统相关的形式，然后调用底层系统调用执行实际操作。 #### 5. 文件描述符 `open` 函数将文件或物理设备与程序中使用的逻辑句柄关联起来。文件或物理设备由字符串指定，句柄是一个整数，可以